1 / 51

Митохондриальный геном и болезни человека

Митохондриальный геном и болезни человека. Лаборатория нехромосомной наследственности Институт генетики и цитологии НАН Б. 1- хп ячмень (ПК) 2- митох ячмень (КМ) 3- хп ячмень (СвЦ) 4 - хп ячмень (СвЦ) 5 –мт ячмень (ЗГ) 6- хп подсолнечник (ПГ).

feleti
Download Presentation

Митохондриальный геном и болезни человека

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Митохондриальный геном и болезни человека Лаборатория нехромосомной наследственности Институт генетики и цитологии НАН Б

  2. 1- хп ячмень (ПК) 2- митох ячмень (КМ) 3- хп ячмень (СвЦ) 4 - хп ячмень (СвЦ) 5 –мт ячмень (ЗГ) 6- хп подсолнечник (ПГ) Долог путь от гена к признаку…

  3. Митохондрии в клетке,строение митохондрий

  4. Функции митохондрий • Синтез АТФ – «энергетический центр» клетки (95% синтезируется в мт) • Участие в метаболизме аминокислот, липидов,холестерола, стероидов, нуклеотидов • Инициация процессов апоптоза (программируемой клеточной смерти) • Регуляцияэкспрессииядерного генома • Участие в собственном воспроизведении

  5. 2 гена рибосомальной РНК 22 гена транспортной РНК 13 белок-кодирующих генов Митохондриальный геном человека – 37 генов, 16. 569 пар нуклеотидов Молекула ДНК замкнута в кольцо Гены расположены очень плотно, на обеих цепочках ДНК, иногда перекрываются

  6. Митохондриальный геном человека

  7. Репликация митохондриальной ДНК млекопитающих участок Н цепи, оттесняемый 7S ДНК D-петля Н-цепь новая Н-цепь (7S ДНК) HSPLSP L-цепь ОH D-петля • ДНК-репликация в митохондриях связана с транскрипцией; • L- и H- цепи реплицируются с разных точек : ОLи ОH • Молекула мтДНК в области D-петли трехнитчатая. ОH HSP LSP Короткий РНК транскрипт с LSP –праймер для репликацииH-цепи мтДНК ОL

  8. ДНК- полимераза гамма(γ) состоит из двух субъединиц: α - каталитической и β -дополнительной (accessory) 125 -140 kDa35 – 54 kDa Участвует в узнавании РНК-праймеров Экзонуклеазная активностьproofreading:мутация в этой области уменьшает точность репликации Полимеразная активность

  9. Первые митохондриальные заболевания были описаны раньше, чем открыта ДНК в митохондриях 1958 – синдром Кернс-Сейра 1962Болезнь Люфта : не тироидальный гиперметаболизм (всего 2случая за40 лет) 1963 Открыта ДНК в митохондриях 1981 –расшифрован митохондриальный геном человека (Anderson et al) 1988– идентифицированы первые патогенные мутации мтДНК(Holt et al., Wallace et al).

  10. Особености митохондриальной наследственности • Материнское наследование • Мультикопийность геномов (сотни органелл, тысячи ДНК молекул) • Гетероплазмия • Митотическая сегрегация • Пороговый эффект

  11. Ткани с низким порогом мутантной ДНК: мозг сердце скелетная мускулатура сетчатка глаза почечные канальцы эндокринные железы Клетки этих тканей наиболее метаболически активны,энергетически зависимы

  12. В митохондриях 37 генов в тысячах копий каждый В ядре ~70 000 генов в двух копиях каждый Гены составляют менее 1% от всей ядерной ДНК Гены составляют более 92% от всей митохондриальной ДНК

  13. Мутации в митохондриальной ДНК человека происходят в пять раз чаще, чем в ядерной, поскольку Митохондрии поглощают более 90%клеточного кислорода; Образуется большое количествоДНК-повреждающихсвободных радикалов. При этом • геном митохондрий не защищен гистоновыми • белками; • репарационные процессы в митохондриях • менее совершенны, чем в ядре

  14. В настоящее время описано • более190патогенных точечных мутаций митохондриальной ДНК • около200делеций, инсерций и других структурных реорганизациймтДНК

  15. Источники митохондриальных патологий: • Изменения в генах ядерного кодирования (более 1000 генов кодируют мт белки) • Изменения в генах митохондриальногокодирования (37 генов) • Выпадения участков мтДНК (делеции, множественные делеции) • Истощение пуламитохондриальной ДНК

  16. Особенности мутаций митохондриальных генов Одна из важнейших особенностей – клиническое разнообразие сиблингов. Это – отражение «эффекта бутылочного горлышка». Какое количество мутантных молекул попадет в ооцит на раннем этапе оогенеза – дело случая :

  17. Отсутствие механизма точного распределения митохондрий между отдельными клетками

  18. Особенности мутаций митохондриальных генов Мутации могут затрагивать: специфические белки – при точечных мутациях и малых делециях структурных генов, а также митохондриальный геном в целом: • большие делеции; • мутации в генах тРНК; • мутации в генах рРНК. В результате мутациий наблюдается: • Уменьшение синтеза АТФ • Нарушение кальциевого баланса клетки • Повышение количестваROS (reactive oxygen species)

  19. Некоторые мутации ядерной ДНК могут приводить к мутациям митохондриальной ДНК: ген ДНК-полимеразы гамма (осуществляет синтез мтДНК); ген тимидинфосфорилазы (нарушает метаболизм тимидина); ген Twinkle(участвует в поддержании целостности митохондриального генома). Информация о мутациях в этих генах накапливается стремительно

  20. Особенности мутации митохондриальных генов Строгая связьмежду сайтоммутациии клиническимфенотипомчастоотсутствует: Одна и та же мутация может вызывать разные симптомы. Один и тот же клинический фенотип могут формировать разные мутации Исключения: MERRFсиндром - мутации всегда в тРНКLysгене;LHON – мутации вгенахND

  21. 2/3 известных точечных мутациймтДНК сосредоточены в тРНК генах(9% генома) Больше всегомутантных точек выявленов лейциновой тРНК

  22. Мутации лейциновой тРНК

  23. Примеры некоторых синдромов Синдром Лебера: LHON (1871 г.) • наследуемая по материнской линии потеря зрения происходит у людей 20-30 лет вследствие • атрофии зрительного нерва и • дегенерации ганглиозного слоя клеток ретины Заболевание связано с передаваемой от матери мутацией митохондриальной ДНК в одном из ND генов (комплекс I). В 70% случаев это G11778A(ND4), а в Японии в 90% в 13% случаев G3460A (ND1); в 14% случаевT14484C (ND6) Мутация находится в гомоплазматическом состоянии

  24. 745 п.н. 634 п.н. ДНК-диагностика синдрома Лебера в семье Nпроведена нами впервые в 2006 году G11778 G11778A замена пробанд с синдромом Лебера здоровый сестра мать человек пробанда

  25. Загадки синдрома Лебера: ?? В 80-85% случаев поражаются мужчины (Х хромосома несет какой-то локус чувствительности ?) Лишь у 50% мужчин и 10% женщин носителей патогенных мутаций комплекса I в действительности происходит потеря зрения ?? Чаще всего мутации, ведущие к синдрому Лебера, встречаются в мтДНК гаплогруппы J; эту группу несут около 15% европейцев ?? В формировании заболевания участвуют какие-то дополнительные факторы ( ???)

  26. Мутации генов транспортной РНК Самая часто встречающаяся точечная мутация: А3243Gв лейциновой тРНК Обнаружена у большинства больных с синдромом MELAS инсультоподобные(stroke-like) эпизоды Миопатия лактат-ацидоз энцефалопатия Мутация встречается исключительно в гетероплазматическом состоянии В одних семьях А3243Gвызывает преимущественно кардиомиопатию, в других – диабет и глухоту, в третьих PEO, в четвертых - энцефалопатию ???

  27. Впервые ДНК-диагностика синдрома MELAS была проведена нами в 2007 году Мама: фенотипически здоровая женщина очень маленького роста I брак II брак 2ой ребенок 1991-2007 Менингоэнцефалит Умерот ишемического инфаркта обоих полушарий мозжечка 3ий ребенок родился в 1998 Прогрессирующая миопатия, миокардио-дистрофия 1ый ребенок 1988-2000 Кардиопатия, ЗПР, ЗФР. Умерла скоропостижно после травмы Митохондриопатия?? Обнаружена мутация MELAS у сына (80% мутантных молекул в крови) у мамы(40% )

  28. Мутации генов транспортной РНК(продолжение) Мутация А8344Gв гене лизиновой тРНК при уровне мутантных молекул > 85% приводит к синдрому MERRF: Миоклонус-эпилепсия; «рваные» красные мышечные волокна; задержка умственного развития; атаксия; атрофия мышц и др. Матери больных обычно фенотипически здоровы или несут слабо выраженные симптомы Мутация резко снижает эффективность трансляции в мт и тем самым провоцирует дефицит дыхательной цепи

  29. Мутации генов рибосомальной РНК Чаще всего встречается мутация гена 12S рРНК A1555G Вызывает несиндромную потерю слуха из-за чувствительности носителей мутации к ототоксическим аминогликозидам Другие мутации генов 12S и 16S вызывают кардиомиопатию, атаксию, MELAS, диабет mellitus, сенсорно-невральная потерю слуха

  30. Примеры некоторых синдромов NARP (neuropathy ataxia and retinitis pigmentosa) Мутация в генеATPase6– трансверсияТ – G в нуклеотиде 8993 (70-90% мутантной ДНК) T8993G:лейцин замещаетсянааргинин вATPase6, чтоприводит к нарушению синтеза АТФ Если доля мтДНК больше 90%, клиническое проявление наблюдается раньшеи симптомы более тяжелые:подострая некротизирующая энцефалопатия с чертами синдрома Лея (LS)

  31. Синдром Лея – тяжелейшее нейродегенеративное заболевание: - симметричные некротические повреждения в субкортикальных областях ЦНС – базальных ганглиях, таламусе, стволе мозга, спинном мозге; - демиелинизация, сосудистая пролиферация и «глиозис»; - моторная и умственная регрессия, атаксия, дистония, аномальное дыхание Заболевание начинается в раннем детстве, редко во взрослом состоянии; Смерть наступает обычно через два года после начала заболевания

  32. 2/10случаев – мутации митохондр. ДНК (MILS) 7/10 cлучаев – рецессивные мутации ядерных аутосомных генов, кодирующих субъединицы дыхательной цепи или белки, участвующие в ее сборке ATPase 6 LS 1/10 cлучаев – мутации Х-хромосомы PDHC

  33. Синдром Кернс-Сейра (KSS) Причина – крупная делеция 5 т.п.н. Утрачиваются 5 генов тРНК и 5 белковых генов KSS –фатальная мультисистемная патология, проявляется в возрасте 4-18 лет:CPEO, пигментный ретинит, атаксия,глухота, эндокринная дисфункция, атриовентрикулярная блокада сердца, повышение уровня белка в цереброспинальной жидкости выше 100 мг/дл, «рваные» волокна в скелетных мышцах Делеция не наследуется

  34. Та же делеция 5 т.п.н. вызывает еще 2 синдрома: Синдром Пирсона –PS Гипопластическая анемия, нарушение экзокринной функции поджелудочной железы Синдром PEO– Прогрессирующая наружная офтальмоплегия Все три синдрома являются спорадическими, формиуются в зависимости от сегрегации мутантных мтДНК с накоплением в разных тканях

  35. В случае этой же делеции в 5 тыс п.н. вместо фатального KSS может наблюдаться PEO Прогрессирующая наружная офтальмоплегия, птоз Патология связана с параличом наружных глазодвигательных мышц Процент мутантных молекул в этом случае меньше, чем при KSS синдроме, синдром не связан с угрозой для жизни больного Биохимически в мышцах обнаруживаются дефекты ферментов дыхательной цепи, особенно цитохромоксидазы

  36. Синдром митохондриальной деплеции -МDS В клетках остается 1 - 30% от нормального количества мтДНК Синдром проявляется в первые недели после рождения: фатальная гепатопатия; миопатия с генерализованной гипотонией; кардиомиопатия с судорогами (синдр. де-Тони-Дебре-Фанкони); атрофия проксимальных групп мышц; утрата сухожильных рефлексов. Смерть наступает в тяжелых случаях в первый год жизни

  37. Патологии, вызванные изменением генов дыхательной цепи LHON LHON+дистония Спорадическая миопатия Спорадическая миопатия Энцефаломиопатия Спорадическаямиопатия NARP MILS FBSN М Я Синдром Лея Лейкодистрофия Синдром Лея Кардиоэнцефалопатия Лейкодистрофия/тубулопатия Синдром Лея Параганглиома

  38. Как диагностировать митохондриальную аномалию? При ясных симптомах – выделить кровь из вены и сделать ПЦР-анализ на точечные мутации или делеции Если результат анализа крови отрицательный, это еще не значит отсутствия заболевания (гетероплазмия!) Нужно взять биопсию: мышечную или кожную пробу у взрослых у детей Для неинвазивного тестирования используют седимент мочи, соскоб внутренней поверхности щеки, реже волосяные фолликулы

  39. Как диагностировать митохондриальную аномалию? (2) Свежую мышцу анализируют гистологически и гистохимически Проводятся измерения активности отдельных звеньев комплексов дыхательной цепи «Рваные» мышечные волокна выявляются при окраске на сукцинатдегидрогеназную активность или с помощью Гомори “trichrome stain” культура фибробластов свежая мышца Если обнаруживается дефект в одном звене, это указывает на мутацию соответствующей субъединицы (я или м), если дефекты множественные – возможен дефект мт тРНК либо ядерных генов, участвующих в работе митохондрий

  40. Как диагностировать митохондриальную аномалию? (3) Иногда дефект проявляется при нагрузке (NARP синдром при мутации гена ATPase6) –нужно клиническое тестирование: физические нагрузки с замерами лактата, магнитно-резонансной или инфракрасной спектроскопией Наконец, в случае еще не описанных, редких «private» мутаций проводят прямое секвенирование мтДНК

  41. Типичны для митохондриальных заболеваний вовлеченность разных органов и одновременное проявление внешне не связанных между собой аномалий Наружная офтальмоплегия с нарушением проводимости сердечной мышцы и мозжечковой атаксией Мигрени с мышечной слабостью Энцефало- миопатия с диабетом Тошнота, рвота с оптической атрофией и кардиомиопатией Диабет с глухотой Глухота с наружной офтальмоплегией, птозом и ретинопатией Низкорослость с миопатией и инсультоподобными эпизодами Экзокринная дисфункция поджелудочной железы с сидеробластной анемией Задержка развития или потеря навыков и офтальмоплегия, офтальмопарез

  42. Насколько часты митохондриальные болезни? Частота митохондриальных энцефалопатий определяется примерно как 1 : 11.000 Общая частота митохондриальных заболеваний – как 1 : 8.000 Возраст манифестациимитохондриальных заболеваний сильно варьирует ~ 50 % после 5 лет ~ 50% - до 5 лет Смертность от митохондриальных заболеваний составляет 5-20% в год от даты манифестации

  43. Если у больного митохондриопатия, то после перенесенных инфекционных заболеваний его состояние может резко ухудшиться также отягощают состояние стресс, голодание, переохлаждение, продолжительная обездвиженность, прием седативных средств Осторожно применять местную и общую анестезию!

  44. Лечение митохондриальных болезней –насколько это реально? Фармакологический подход Витамины, кофакторы, «ловцы» свободных радикалов – для предотвращения повреждения дыхательной цепи Наиболее успешный пример – дихлорацетат, применяемый для уменьшения лактоацидоза у пациентов с МELAS Успех частичный и временный, чаще терапия неэффективна

  45. Лечение митохондриальных болезней (2) Другой подход - уменьшить соотношение мутантная:нормальная мтДНК I. Увеличить количество немутантных молекулпутем «сдвига генов» Обычно сателлитные клетки пролиферируют и сливаются со скелетными миофибриллами в ответ на стресс или упражнение У некоторых больных с миопатией % мутантной мтДНК в сателлитных клетках ниже, чем в в скелетной мышце Пропорция нормальных мтДНК молекул в мышце увеличивалась, дефект корректировался Индуцируется пролиферация сателлитных клеток в скелетных мышцах

  46. Лечение митохондриальных болезней (3) II.Уменьшить количество мутантных молекул мтДНК Разработка синтетических молекул, избирательно связывающихся с мутаными ДНК и блокирующих их репликацию Введение в митохондрии фермента рестриктазы, избирательно разрушающего мутантную ДНК Успех достигнут пока только in vitro

  47. Лечение митохондриальных болезней (4) «Молекулярно-внутриклеточная реконструкция» Импорт из цитоплазмы нормальных тРНК вместо дефектных митохондриальных Замена дефектного комплекса дых. цепи на нормальный, полученный из другого организма (дрожжей) Пересадка ядра яйцеклетки из мутантной цитоплазмы в нормальную Все эти подходы - в стадии экпериментальной разработки

  48. Лечение митохондриальных болезней –насколько это реально? Вылечить от митохондриального заболевания сегодня невозможно Применяется симптоматическое лечение: Физическое Физиотерапия, аэробная гимнастика, умеренные и легкие нагрузки Анти-эпилептические препараты, гормоны, витамины, метаболиты, кофакторы Фармакологическое Блефаропластика, имплантация cohlear, трансплантация сердца, почек, печени, подкожная эндоскопическая гастротомия, cricopharyngeal миотомия Хирургическое

  49. Ряд препаратов провоцирует митохондриальные заболевания или отягощает их течение • Вальпроат: увеличивает частоту судорог при MELAS, гепатотоксичен • Аспирин, фенобарбитал • Кортикостероиды • Тетрациклин, хлорамфеникол • Аминогликозидыстрептомицин, гентамицин, амикацин, неомицин, канамицин - ототоксичны • Этамбутол ( провоцирует проявление LHON) • Статин ( провоцирует проявление MELAS) • Антиретровирусные препараты: AZT – zidovudine, doxorubicin вызывают деплецию мтДНК Список далеко не полный!

More Related